Väitös: Komposiitti-rajapinnan ymmärryksestä uusia ratkaisuja korkean suorituskyvyn sovelluksiin sekä kierrätykseen

Ilmailuteollisuus, urheiluvälineet, tuulivoima: pitkillä lujitekuiduilla vahvistettujen komposiittimateriaalien käyttöaste kasvaa monilla aloilla nopeasti. Vaikka hiilikuidut saavat paljon huomiota erinomaisen lujuus-paino-suhteensa ansiosta, lasikuidut hallitsevat teollisuutta tuotantomäärillä mitattuna – myös lähitulevaisuudessa. Kemiallisesti lasi ei kuitenkaan ole yhteensopiva polymeerin kanssa, minkä vuoksi kuormituksen siirtyminen kuidusta toiseen edellyttää rajapintafaasin luomista polymeerin ja lujitteen väliin. Valtaosassa tapauksista tämän rajapintafaasin muodostavat toisiinsa sekoittuva polymeerimatriisi ja kuidun pintaan lisätty pintakäsittelyaine, joka on perinyt tekstiiliteollisuudelta nimen sizing eli liistaus tai loimiliisteri.

– Tämä aiheuttaa joskus myös ongelmia, sillä vaikka tekstiiliteollisuuden termin merkitys on melko hyvin määritelty, se ei täysin kata komposiittialan tarpeita, Pekka Laurikainen selventää.

Rajapintafaasin rakenteesta ja testaamisesta on keskusteltu komposiittialan tieteellisessä kirjallisuudessa useiden vuosikymmenien ajan ja sen tutkimus on kehittynyt tasaisesti mutta hitaasti.

– Vaatiihan se omanlaistaan itsepäisyyttä, ja paljon kärsivällisyyttä, tutkia vain noin nanometrin paksuista ja vain kahden materiaalin välissä esiintyvää ilmiötä, jota ei voi edes suoraan havainnoida. Aluksi pitikin keskittyä siihen, miten aihetta tutkitaan oikein, Laurikainen toteaa.

Rajapintafaasilla erittäin suuri merkitys pitkän aikavälin suorituskyvyssä

Laurikainen teki väitöskirjatutkimuksensa tiiviissä yhteistyössä Tampereen yliopiston tutkijoiden perustaman Fibrobotics oy:n kanssa. Kaksi neljästä Laurikaisen kokoelmaväitöskirjan artikkelista käsittelee suoraan mikroskaalan rajapintatestaukseen suunnitellun testilaitteiston kehitystä ja validointia yhteistyössä yrityksen kanssa.

– Erityisen kiinnostavaksi osoittautui rajapinnan väsymistestaus mikromittakaavassa. Yksittäisten kuitujen rajapintatestauksessa päädytään jopa kansainvälisellä tasolla usein jahtaamaan mahdollisimman isoja lujuusarvoja matriisin irrottamiselle kuidusta, kun kehitetään uusia kuidun pintakäsittelyjä. Esimerkiksi lentokoneiden siivissä ja tuuliturbiinien lavoissa kuormitus on syklistä ja dynaamista eikä sen vaikutusta materiaalin suorituskykyyn ja tuotteen elinikään voida luotettavasti arvioida perinteisellä lujuusmittauksella, Pekka Laurikainen kertoo.

Menetelmän validointiin kuului oleellisena osana itse materiaaleihin liittyvien haasteiden ratkaiseminen. Työssä havaittiin aikaisin, että matriisin ominaisuudet mittauksessa eivät vastaa makroskooppisen mittakaavan käyttäytymistä, mikä nosti polymeerikemian ja laskennallisen kemian työkalut tärkeään rooliin.

– Tältä osin raapaistiin tässä työssä oikeastaan vasta pintaa. Kirjallisuudessa on hyviä esimerkkejä erityisesti erilaisten rajapintojen visualisoinnista laskennallisen kemian menetelmillä ja näen tässä paljon potentiaalia kuitu-matriisi-rajapintojen tutkimukselle tulevaisuudessa, hän jatkaa.

Väitöstilaisuus perjantaina 1. syyskuuta

Diplomi-insinööri Pekka Laurikaisen materiaalitekniikan alaan kuuluva väitöskirja Characterisation and Validation of the Microscale testing of Fibre Matrix Interphases tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 1.9.2023 kello 12 Hervannan Kampuksella Festia-rakennuksen salissa FA032 Pieni Sali 1 (Korkeakoulunkatu 1, 33720 Tampere). Vastaväittäjänä toimii tohtori Liu Yang, University of Strathchlyde, ja professori Andrea Dorigato, University of Trento. Kustoksena toimii Tenure track -professori Essi Sarlin, tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta, Tampereen yliopisto.